TÉCNICAS DE INTERCONEXÃO ELÉTRICA

Transcrição

1 TÉCNICAS DE INTERCONEXÃO ELÉTRICA WB Wire Bonding TAB Tape Automated Bonding FLIP CHIP TEC-ENC 4-1

2 INTERCONEXÃO ELÉTRICA USANDO WIRE BONDING AS TÉCNICAS FÍSICAS MAIS USADAS: TERMO-COMPRESSÃO ULTRA-SÔNICA TERMO-SÔNICA TERMO-COMPRESSÃO Quando duas superfícies metálicas são soldadas através de um ciclo de temperatura, pressão e tempo controlados Fio + Metalização + Ciclo de Termo-compressão Deformação Plástica + Interdifusão Atômica Materiais Típicos: Au-Au Au-Al (Intermetálicos) TEC-ENC 4-2

3 ULTRA-SÔNICA e TERMO-SÔNICA ULTRA-SÔNICA Processo de baixa temperatura onde a fonte de energia é fornecida por um transdutor ultra-sônico à ferramenta de corte numa frequência de KHz, promovendo assim a solda Fio- Metalização Fio + Metalização + Ultra-som Solda sônica Materiais: Al ou ligas de Al Al e metalização de Au TERMO-SÔNICA Combina os dois métodos anteriores Trabalha com temperaturas mais baixas Usa materiais como Au, Al, Cu, Pd Método excelente para Filmes espessos e circuitos híbridos TEC-ENC 4-3

4 WIRE BONDING Existem dois tipos principais de Wire Bonding : Ball Bonding ou Sistema Bola-Cunha Wedge Bonding ou Sistema Cunha-Cunha Máquinas totalmente automáticas permitem alta produção Os parâmetros são controlados, as propriedades mecânicas dos fios são extremamente repetitivas A velocidade pode chegar a ms por interconexão A distância entre fios chega a 50 µm e o loop a 40 µm São usados em principalmente em dispositivos Chip on Board, Cerâmicos, BGA s e plásticos Seu baixo custo é devido a: O Die não requer modificações Os equipamentos usados são de tecnologia conhecida e ampla infraestrutura Custos de engenharia são minimizados Para um número de interconexões I/O maior que 500 esta técnica se torna difícil de ser aplicada TEC-ENC 4-4

5 CARACTERÍSTICAS do WIRE BONDING TEC-ENC 4-5

6 BALL BONDING A vantagem do ball bonding constitui-se na seção redonda do capilar que permite dobras do fio em qualquer angulo, viabilizando assim o posicionamento do fio em qualquer direção usando-se somente movimentos X-Y. O processo de ball bonding consiste na formação de uma primeira solda, tipo bola (ball), no pad situado no die, seguida de uma segunda solda, tipo cunha (wedge), no terminal correspondente do encapsulamento ( leadframe ou substrato) para formar a conexão elétrica entre o Die e o portador carrier. Este processo apresenta dez etapas e pode ser realizado em 80 mili-segundos. Bola livre Primeira Solda Segunda Solda TEC-ENC 4-6

7 BALL BONDING (cont.) Antes de realizar a operação o sistema de visão do Bonder identifica duas regiões na superficie do Die previamente ensinadas (eye points). Quando o sistema de reconhecimento de padrões (PRS) do Bonder localiza os dois eye points, a maquina está habilitada a transformar os locais de soldagem que foram originalmente ensinados, corrigido-os para as variações de locação em cada dispositivo. TEC-ENC 4-7

8 GEOMETRIA do SISTEMA BOLA-CUNHA TEC-ENC 4-8

9 PROCESSO de BALL BONDING TEC-ENC 4-9

10 PROCESSO de BALL BONDING 1. O processo começa com o capilar e a bola no extremo do fio, na altura padrão. O grampo do fio é solto e o fio é tensionado, através de um sistema por ár, forçando a bola a se posicionar e centralizar no chanfro do capilar. 2. O capilar desce até o local da primeira solda. Existem dois componentes neste movimento: uma porção em alta velocidade e uma descida lenta onde o equipamento sente o contato com a superfície. 3. Durante a formação da solda ball bond, energia ultra-sônica modifica as propriedades dos materiais permitindo deformação e soldagem. 4. O capilar sobe até o topo do loop do fio. A posição do Die pode ter sofrido variações. O wire bonder recalcula e ajusta o comprimento do fio necessário para cada loop antes da soldagem ser efetuada. Então o grampo é fechado para não permitir a entrada de mais fio no loop. 5. A trajetória, calculada de forma precisa por algoritmos de movimento, permite que o wire bonder realize algumas formas especiais necessárias em muitos dos encapsulamentos atuais como: chip scale package (CSP) loop and ball e grid array (BGA) loop. TEC-ENC 4-10

11 PROCESSO de BALL BONDING (cont.) 6.Quando a cabeça do Bonder desce, fio proveniente do capilar forma o loop pertoda segunda solda. 7.Duas soldas são realizadas durante a formação da cunha wedge, primeiro, o capilar forma uma solda chamada de fishtail fixando o fio no terminal, depois, o chanfro interno do capilar solda a ponta do fio ao substrato, realizando a solda chamada de tail bond, esta solda permite a medida correta de comprimento de fio para o próximo ciclo. 8. Com o grampo aberto o capilar sobe do substrato até uma altura pré-definida, puxando o fio definindo o volume da próxima bola. 9. Com o grampo fechado, a cabeça do Bonder sobe até a posição do EFO (electronic flame off), rasgando a tail bond do substrato. O volume correto de fio para a formação de uma nova bola já está definido. 10. O EFO liga, derretendo o fio e formando uma nova bola para ser usada na próxima solda. TEC-ENC 4-11

12 CAPILARES para BALL BONDING TEC-ENC 4-12

13 WEDGE BONDING Solda tipo Wedge sempre permitiu a capacidade de diminuição do pad pitch, devido a que a solda pode ser realizada deformando o fio com 25 a 30 % além de seu diâmetro original. Comparativamente a formação ball bond implica numa deformação de 60 a 80 % de seu diâmetro original. Como a solda é menor, o pad pitch pode ser diminuído quando comparado com a técnica de Ball bonding. TEC-ENC 4-13

14 WEDGE BONDING As novas possibilidades do processo de Wedge Bonding, com o movimento rotacional da cabeça (Theta Axis) e diversos formas de Loops aumentam a versatilidade deste tipo de soldagem de fios para Wire Bonding. TEC-ENC 4-14

15 GEOMETRIA do SISTEMA CUNHA-CUNHA TEC-ENC 4-15

16 PROCESSO de WEDGE BONDING TEC-ENC 4-16

17 PROCESSO de WEDGE BONDING 1. A ferramenta da cunha Wedge, o fio e o grampo descem na direção da primeira solda. Esta ferramenta possui um orifício angulado por onde o fio é alimentado. O grampo está fechado durante a descida para evitar que o fio solte da ferramenta. 2. Durante a formação da primeira solda, energia ultra-sônica e força mecânica são aplicada pela ferramenta, deformando o fio e soldando-o ao Pad no Die. Fios de alumínio e cobre são soldados normalmente a temperatura ambiente com ferramentas feitas de carbeto de tungstênio. Fios de oro são soldados a temperaturas de 125 a 150 C com ferramentas feitas de carbeto de titânio. 3. Durante a subida até o topo do Loop o fio desliza pelo orifício da ferramenta e através do grampo que está aberto. 4. O sistema de controle de movimento e software de posicionamento, colocam a ferramenta no local da segunda solda e o grampo fecha quando a descida começa. Como no caso de Ball bonding, algoritmos de software alculam a trajetória para loops especiais como os de BGA. 5. Energia Ultra-sônica é aplicada para a formação da segunda solda. 6. Energia Ultra-sônica continua a ser aplicada e a ferramenta balança o fio até fratura-o na borda da segunda solda. 7. O grampo do fio é fechado e a ferramenta se posiciona para uma nova soldagem. TEC-ENC 4-17

18 FERRAMENTA para WEDGE BONDING TEC-ENC 4-18

19 FATORES LIMITANTES do WIRE BONDING TEC-ENC 4-19

20 FATORES LIMITANTES do BALL BONDING TEC-ENC 4-20

21 EVALUAÇÃO do WIRE BONDING Verificação visual Medidas de retardo Teste destrutivo tipo bond pull test Teste não destrutivo tipo bond pull test Teste de cizalhamento do Ball bond Teste de aceleração constante Teste de vibração aleatória Teste de choques mecânicos Teste de resistência à umidade Teste de ciclagem térmica Bond Pull Test TEC-ENC 4-21

22 FALHAS no WIRE BONDING ABERTURA DE CRATERAS NO PAD Muita energia ultra-sônica Muita ou pouca força na cunha Bolas de tamanho pequeno FRATURA E LEVANTAMENTO DO FIO Utilização de ferramentas inadequadas Vibração excessiva durante a soldagem Deformação excessiva durante a soldagem Movimentação rápida da ferramenta TERMINAÇÕES INCONSISTENTES Caminho do fio sujo Angulo de alimentação incorreto Grampos sujos ou com força e gap incorretos Tensão de fio incorreta TEC-ENC 4-22

23 FALHAS de CONFIABILIDADE no WIRE BONDING Formação de intermetálicos Descolamento da soldagem Corrosão na região de soldagem Corrosão nos terminais Migração metálica Fadiga por vibração Fadiga flexural do fio Ruído elétrico Quebra de fios TEC-ENC 4-23

24 MATERIAIS USADOS em FIOS para WIRE BONDING Al Usado como metal puro, não fornece fios finos Al + 1 % de Si Material padrão para Wire Bonding 1% de Si excede a solubilidade sólida de Si em Al. Al + 0,5%-1% Mg Au Equivalente ao anterior mas apresenta melhores características mecânicas Muito usado com algumas impurezas (Be, Cu) pode melhorar algumas características mecânicas da ligação Outros materiais usados Ag, Cu, Pd TEC-ENC 4-24

25 CARACTERÍSTICAS de FIOS de Al TEC-ENC 4-25

26 CARACTERÍSTICAS de FIOS de Al-Si TEC-ENC 4-26

27 CARACTERÍSTICAS de FIOS de Au TEC-ENC 4-27